【高中化学】一轮复习学案：9.1-原电池-化学电源(选修)

第九章电化学基础第一节原电池、化学电源【高考新动向】考点梳理（三年26考高考指数:★★★★★）1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。【考纲全景透析】一、原电池1、定义：把化学能转化为电能的装置2．实质：一个能自发进行的氧化还原反应。3.原电池的形成条件构成前提：两个电极中至少有一个可以和电解质溶液自发地发生氧化还原反应（1）活动性不同的金属（其中一种可以为非金属，即作导体用）作电极。（2）两电极插入电解质溶液中。（3）形成闭合回路。（两电极外线用导线连接，可以接用电器。）4．原理：ⅠⅡ电极名称负极正极电极材料ZnCu电极反应Zn—2e-====Zn2+Cu2++2e-====Cu反应类型氧化反应还原反应电子方向和电流方向电子从负极流出经外电路流入正极；电流从正极流出经外电路流入负极。5.两种装置的比较装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触，易造成能量损耗；装置Ⅱ能避免能量损耗；装置Ⅱ中盐桥的作用是提供离子迁移通路，导电。二、常见的化学电源1.一次电池（碱性锌锰干电池）反应原理：负极：ZnZn+2OH--2e-====Zn(OH)2正极：MnO22MnO2+2H2O+2e-====2MnOOH+2OH-总反应式：Zn+2MnO2+2H2O====2MnOOH+Zn(OH)22.二次电池（可充电电池）铅蓄电池为典型的可充电电池，其电极反应分为放电和充电两个过程（1）正负极材料正极：PbO2负极：Pb电解质：H2SO4溶液（2）放电过程负极：Pb(s)+SO42-(aq)-2e-====PbSO4(s)氧化反应正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-====PbSO4(s)+2H2O(l)还原反应放电过程总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4====2PbSO4(s)+2H2O（l）铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程（3）充电过程阴极：PbSO4(s)+2e-====Pb(s)+SO42-(aq)还原反应接电源负极阳极：2PbSO4(s)+2H2O-2e-====PbO2(s)+4H++2SO42-(aq)接电源正极氧化反应充电过程总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)====Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)铅蓄电池的充放电过程：Pb+PbO2+2H2SO4放电充电2PbSO4+2H2O3.燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。酸性碱性负极反应式2H2-4e-====4H+2H2+4OH--4e-====4H2O正极反应式O2+4H++4e-====2H2OO2+2H2O+4e-====4OH-总反应式2H2+Ｏ2=2H2O【热点难点全析】※考点一原电池的构成和电极反应式的书写1.原电池的构成两极是导体且存在活动性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极)；两极要用导线连接起来(或直接接触)插入电解质溶液中；必须有一个释放能量的(自发的)氧化还原反应发生——作为电池反应。【特别提醒】多池相连，但无外接电源时，两极活动性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。2.原电池的正负极的判断：3.电极反应式的书写(1)一般电极反应式的书写（2）复杂的电极反应式的书写对于复杂的电极反应式可由电池反应减去负极反应而得到正极反应。此时必须保证电池反应转移的电子数等于电极反应转移的电子数，即遵守电荷守恒和质量守恒和电子守恒规律。如CH4酸性燃料电池中，负极反应式为：CH4＋2O2===CO2＋2H2O……总反应式2O2＋8H＋＋8e－===4H2O……正极反应式CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋……负极反应式【高考警示钟】(1)负极本身不一定都参加反应，如燃料电池中，作为负极的材料本身并不参加反应。(2)不注意电解质溶液的成分，容易误写电极反应式，如Al负极，在酸性溶液中生成Al3+，在碱性溶液中生成AlO2-。(3)电子从负极经外电路流向正极，但电子不能通过电解液，是通过阴阳离子的移动形成闭合回路。(4)用总电极反应减去一极的电极反应时，须在两式电子转移数相等的前提下进行。【典例1】（2011·海南，12改编）根据下图，下列判断中正确的是()A．烧杯a中的溶液pH降低B．烧杯b中发生氧化反应C．烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2D．烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2解析由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯a中c(OH－)增大，溶液的pH升高。烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋。答案B※考点二原电池工作原理的应用1．比较不同金属的活动性强弱根据原电池原理可知，在原电池反应过程中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或碳棒)作正极．若有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，说明在原电池工作过程中，A被氧化成阳离子而失去电子作负极，B作正极，则金属A的金属活动性比B强．2．加快化学反应速率由于原电池将氧化还原反应拆成两个半反应且有电流产生，因而反应速率加快．如Zn与稀H2SO4反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成Cu－Zn原电池，加快反应进行．3．用于金属的防护使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。4．设计制作化学电源设计原电池时要紧扣构成原电池的条件．(1)首要将已知氧化还原反应拆分为两个半反应；(2)根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料(负极就是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属或导电的非金属如石墨)及电解质溶液①电极材料的选择在原电池中，选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或非金属作为正极，并且原电池的电极必须导电。一般来说，负极应该跟电解质溶液发生反应。②电解质溶液的选择电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。如在Cu-Zn-硫酸构成的原电池中，负极Zn浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极Cu浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。(3)按要求画出原电池装置图。如根据2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+设计原电池：负极：Cu-2e-====Cu2+正极：2Fe3++2e-====2Fe2+【高考警示钟】(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应，吸热反应不可能将化学能转化为电能。(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率，但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。(3)设计原电池时，负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以。【典例2】控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是()A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极【答案】D【高考零距离】【2012年高考】1、（2012·四川高考·11）11.一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为HCOOHCHOHeOHCHCH443223。下列有关说法正确的是A.检测室，电解质溶液中的H向负极移动B.若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气C.电池反应的化学方程式为：OHCOOHCHOOHCHCH23223D．正极上发生的反应是：OHOHeO42422【解题指南】燃料电池燃料总是在负极上反应，氧气在正极上反应时注意电解质溶液的酸碱性。【解析】选C。正极反应为：O2+4H++=2H2O,负极反应生成氢离子，正极上消耗氢离子，因此氢离子应该向正极移动；由正极反应方程式中的比例关系可知，每转移0.4mol电子，反应掉氧气0.1mol即2.24L;将电池的正负极反应方程式相加即可得C项。2、（2012·山东高考·13）下列与金属腐蚀有关的说法正确的是A.图a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重B.图b中，开关由M改置于N时，Cu-Zn合金的腐蚀速率减小C.图c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大D.图d中，Zn-MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的【解题指南】解答本题时应理解原电池工作原理，电化学腐蚀和普通化学腐蚀的快慢不同的原因。【解析】选B。A项，因溶液具有均一性，烧杯底端的溶液的浓度与上端相同，故腐蚀速度相同，A错误；B项，由M改置于N后，锌作原电池的负极，Cu-Zn合金应充当原电池的正极，明显受到了一定的保护，腐蚀速度减小，B正确；C项，接通开关时，锌作原电池的负极，腐蚀速率变大，但是气体不在锌上（负极）产生，而是在铂上（正极）产生，C错误；D项，Zn-MnO2干电池发生放电反应，导致Zn被腐蚀，主要原因是锌发生氧化反应，体现了锌的还原性，D错误。3、（2012·大纲版全国卷·11）①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池，①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极，②④相连时，②有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少，据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是A①③②④B①③④②C③④②①D③①②④【解题指南】解答本题时应掌握电化学原理的有关知识【解析】选B。选项具体分析结论（金属活动性）A电流从②流向①，①为负极①＞②B①③相连时③为正极①＞③C②④相连时②上有气泡逸出，②为正极④＞②D③④相连时③的质量减少，③为负极③＞④4、（2012·北京高考·12）人工光合作用能够借助太阳能，用CO2和H2O来制备化学原料。下图是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图，下列说法不正确的是A.该过程是将太阳能转化为化学能的过程B.催化剂a表面发生氧化反应，有O2产生C.催化剂a附近酸性减弱，催化剂b附近酸性增强D.催化剂b表面的反应是CO2+2H++2e一=HCOOH【解题指南】解答本题时应注意以下三个方面：（1）能从题目所给的电子、电流方向快速判断原电池的正、负极。（2）熟练的写出原电池的正、负极的电极反应式和电池反应式。（3）两极附近的酸（碱）性变化要从电极反应式得出。【解析】选C。题中没有外加电源，应是原电池装置，由给出的反应物和生成物得出电池反应为2CO2+2H2O=2HCOOH+O2，再根据电子从a流向b，a为负极，电极反应式是2H2O-4e—=O2+4H+，由于产生H+，其附近酸性增强；b是正极，电极反应式是CO2+2H++2e一=HCOOH，由于消耗H+，其附近酸性减弱。5、（2012·江苏高考·10）下列有关说法正确的是A.CaCO3(s)=CaO(s)＋CO2(g)室温下不能自发进行，说明该反应的△H＜0B.镀铜铁制品镀层受损后，铁制品比受损前更容易生锈C.N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)△H＜0，其他条件不变时升高温度，反应速率Ｖ(H2)和氢气的平衡转化率均增大D.水的离子积常数Kw随着温度的升高而增大，说明水的电离是放热反应【参考答案】B【分析】本题是化学反应与热效应、电化学等的简单综合题，着力考查学生对熵变、焓变，水解反应、原电池电解池、化学反应速率的影响因素等方面的能力。A.分解反应一般是常识吸热反应，熵变、焓变都大于零，仅在高温下自发。内容来源于《选修四》P34-P36中化学方向的判断。B.铁比铜活泼，组成的原电池中铁为负极，更易被氧化。C.据平衡移动原理，升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡转化率减小。D.水的离子积常数Kw随着温度的升高而增大，说明水的电离是吸热